數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路2024/3/24數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路教學(xué)參考書《數(shù)字電子線路(第2版)》姜有根、郭晉陽電子工業(yè)出版社中等職業(yè)教育國家規(guī)劃教材(適用中專、中職)《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第2版)》楊志忠、衛(wèi)樺林等高等教育出版社“十五”國家級規(guī)劃教材(適用大專)《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第5版)》閻石高等教育出版社面向21世紀(jì)課程教材(適用本科)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第三章邏輯門電路1.教學(xué)目標(biāo)：掌握二極管、三極管、MOS管靜態(tài)開關(guān)特性，了解他們的動態(tài)開關(guān)特性；掌握常見的分立元件門電路和組合邏輯門電路，掌握TTL邏輯門的邏輯功能，了解其電氣特性；掌握CMOS邏輯門的邏輯功能，了解其電氣特性；了解TTL門和CMOS門使用的注意事項；2.教學(xué)重點：不同元器件的靜態(tài)開關(guān)特性，分立元件門電路和組合門電路，TTL和CMOS集成邏輯門電路基本功能和電氣特性。3.教學(xué)難點：組合邏輯門電路、TTL和CMOS集成邏輯門4.課時安排：第一節(jié)常見元器件的開關(guān)特性第二節(jié)基本邏輯門電路第三節(jié)TTL和CMOS集成邏輯門電路數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第一節(jié)常見元器件的開關(guān)特性邏輯門電路：用以實現(xiàn)基本邏輯運算和復(fù)合邏輯運算的電子電路。常用的邏輯門電路有：與門、或門、非門、與非門、或非門、同或門、異或門等，稱為基本邏輯門電路。集成TTL門電路：由雙極性晶體管組成，工作速度快，功耗大，集成度低集成CMOS門電路：由單極型MOS管組成，功耗低，集成度高，工作速度較慢數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第一節(jié)常見元器件的開關(guān)特性門電路(電子開關(guān))滿足一定條件時，電路允許信號通過

開關(guān)接通。開門狀態(tài)：關(guān)門狀態(tài)：條件不滿足時，電路信號通不過

開關(guān)斷開。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第一節(jié)常見元器件的開關(guān)特性以TTL門電路為例：高電平范圍2.4V~3.6V，標(biāo)準(zhǔn)高電平為3V；低電平范圍0V~0.8V，標(biāo)準(zhǔn)低電平為0.3V。0.8V0V2.4V3.6V標(biāo)準(zhǔn)高電平3V標(biāo)準(zhǔn)低電平0.3VTTL門電路中的高、低電平構(gòu)成的正邏輯示意圖10數(shù)字電路中，不需要關(guān)注具體電壓值，只需關(guān)注電平狀態(tài)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第一節(jié)常見元器件的開關(guān)特性各種門電路的輸入和輸出只有高電平和低電平兩個不同的狀態(tài)。高、低電平不是一個固定的數(shù)值，而是有一定的變化范圍。正邏輯：1表示高電平，0表示低電平負(fù)邏輯：0表示高電平，1表示低電平如右圖正邏輯表示：K開---VO輸出高電平，對應(yīng)“1”K合---VO輸出低電平，對應(yīng)“0”數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第一節(jié)常見元器件的開關(guān)特性數(shù)字集成電路絕大多數(shù)都是由雙極型二極管、三極管或單極型場效應(yīng)管組成。這些晶體管大部分工作在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于開關(guān)的“接通”和“斷開”，故門電路又稱為電子開關(guān)。靜態(tài)開關(guān)特性：什么條件下導(dǎo)通，什么條件下截止動態(tài)開關(guān)特性：導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的特性開關(guān)特性數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第一節(jié)常見元器件的開關(guān)特性A、晶體二極管靜態(tài)開關(guān)特性1.二極管的開關(guān)特性

VON：門檻電壓或稱閾值電壓、開啟電壓VD：導(dǎo)通電壓降VD=0.7V視為硅二極管導(dǎo)通的條件（鍺二極管0.3V）二極管正向?qū)〞r的等效電路數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第一節(jié)常見元器件的開關(guān)特性A、晶體二極管靜態(tài)開關(guān)特性A.截止條件：vD<VON

B.實際：vD≤0，保證二極管可靠截止C.VZ：二極管的反向擊穿電壓二極管截止時的等效電路1.二極管的開關(guān)特性

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第一節(jié)常見元器件的開關(guān)特性B、二極管動態(tài)開關(guān)特性1.二極管的開關(guān)特性

tre反向恢復(fù)時間：二極管從導(dǎo)通到截止所需時間。動態(tài)過程（過渡過程）：二極管導(dǎo)通和截止之間轉(zhuǎn)換過程。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第一節(jié)常見元器件的開關(guān)特性2.三極管的開關(guān)特性

NPN型硅三極管開關(guān)電路及其特性A、晶體三極管靜態(tài)開關(guān)特性三極管具有飽和、放大和截止三種工作狀態(tài)，在數(shù)字電路中，主要工作于飽和和截止?fàn)顟B(tài)。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第一節(jié)常見元器件的開關(guān)特性2.三極管的開關(guān)特性

A、晶體三極管靜態(tài)開關(guān)特性數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第一節(jié)常見元器件的開關(guān)特性2.三極管的開關(guān)特性

B、晶體三極管動態(tài)開關(guān)特性td----延遲時間(Delaytime)，為從輸入信號正躍變瞬間到iC上升到0.1ICmax所需的時間。tr----上升時間(Risetime)，是集電極電流iC從0.1ICmax上升到0.9ICmax所需的時間。ton=td+tr開通時間ton:為從輸入信號正躍變瞬間到iC上升到最大值ICmax的90％所經(jīng)歷的時間。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第一節(jié)常見元器件的開關(guān)特性2.三極管的開關(guān)特性

B、晶體三極管動態(tài)開關(guān)特性ts--存儲時間(Storagetime)：從輸入信號的負(fù)躍變瞬間到iC下降到0.9ICmax所需的時間。tf--下降時間(Falltime)：從0.9ICmax下降到0.1ICmax所需的時間。toff=ts+tf關(guān)斷時間toff：從輸入信號負(fù)躍變的瞬間，到iC下降到0.1ICmax所經(jīng)歷的時間。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第一節(jié)常見元器件的開關(guān)特性2.三極管的開關(guān)特性

B、晶體三極管動態(tài)開關(guān)特性ton和toff一般約在幾十納秒（ns=10-9s）范圍。通常都有toff

>ton，而且ts>tf。ts

的大小是影響三極管速度的最主要因素，要提高三極管的開關(guān)速度就要設(shè)法縮短ton與toff

，特別是要縮短ts

。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第一節(jié)常見元器件的開關(guān)特性3.MOS管的開關(guān)特性

A、MOS管靜態(tài)開關(guān)特性在數(shù)字電路中，MOS管也是作為開關(guān)元件使用，一般采用增強(qiáng)型的MOS管組成開關(guān)電路，并由柵源電壓uGS控制MOS管的導(dǎo)通和截止。(右圖為增強(qiáng)型N溝型MOS管)當(dāng)UGS<UGS(th)門限電壓時，NMOS管截止，漏極電流iD=0,輸出uo=VDD，這時，NMOS相當(dāng)于開關(guān)斷開；當(dāng)UGS>UGS(th)門限電壓時，NMOS管導(dǎo)通，其導(dǎo)通電阻為RD，如果RD>>RON,則uo≈0V，這是NMOS管相當(dāng)于開關(guān)接通。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第一節(jié)常見元器件的開關(guān)特性3.MOS管的開關(guān)特性

B、MOS管動態(tài)開關(guān)特性設(shè)輸入ui的低電平為0V，高電平為VDD當(dāng)輸入ui由低電平0V正躍到高電平VDD時，NMOS管需經(jīng)過ton才能由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通；當(dāng)輸入ui由高電平VDD負(fù)躍到低電平0V時，NMOS管需經(jīng)過toff才能由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止；MOS管輸出總是滯后于輸入，響應(yīng)較慢。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第二節(jié)基本邏輯門電路1.二極管與門、或門A.與門電路數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第二節(jié)基本邏輯門電路1.二極管與門、或門B.或門電路數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第二節(jié)基本邏輯門電路2.三極管非門因非門輸入信號與輸出信號正好相反，故非門又稱反相器數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第二節(jié)基本邏輯門電路3.與非門、或非門數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第三節(jié)TTL和CMOS集成邏輯門電路1.TTL集成邏輯門電路TTL集成邏輯門電路：輸入級和輸出級都為晶體三極管，所以稱為晶體管-晶體管邏輯門電路，英文簡寫為TTL。與分立元件電路相比，集成電路具有體積小、可靠性高、速度快的特點，而且輸入、輸出電平匹配，所以早已廣泛采用。根據(jù)電路內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，可分為DTL（二極管構(gòu)成）、TTL(晶體管構(gòu)成)、MOS(場效應(yīng)管構(gòu)成)管集成門電路，本節(jié)舉例介紹TTL和MOS管構(gòu)成的集成邏輯門電路。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第三節(jié)TTL和CMOS集成邏輯門電路1.TTL集成邏輯門電路輸入級由多發(fā)射極晶體管T1和基極電組R1組成，它實現(xiàn)了輸入變量A、B、C的與運算輸出級：由T3、T4、T5和R4、R5組成其中T3、T4構(gòu)成復(fù)合管，與T5組成推拉式輸出結(jié)構(gòu)。具有較強(qiáng)的負(fù)載能力中間級是放大級，由T2、R2和R3組成，T2的集電極C2和發(fā)射極E2可以分提供兩個相位相反的電壓信號數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第三節(jié)TTL和CMOS集成邏輯門電路1.TTL集成邏輯門電路0.3V3.6V3.6V1V3.6V5V數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第三節(jié)TTL和CMOS集成邏輯門電路1.TTL集成邏輯門電路3.6V3.6V2.1V0.3V3.6V數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第三節(jié)TTL和CMOS集成邏輯門電路1.TTL集成邏輯門電路數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第三節(jié)TTL和CMOS集成邏輯門電路2.集電極開路TTL“與非”門(OC門)集電極開路OC門與的優(yōu)點：1.輸出端能并聯(lián)使用(線與)2.滿足對不同高電平輸出數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第三節(jié)TTL和CMOS集成邏輯門電路2.集電極開路TTL“與非”門(OC門)(1).OC門的輸出端并聯(lián)，實現(xiàn)線與功能。RL為外接負(fù)載電阻。Y1Y2Y000010100111Y1=ABY2=CD數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第三節(jié)TTL和CMOS集成邏輯門電路2.集電極開路TTL“與非”門(OC門)（2）用OC門實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，改變RL的電阻阻值，可以改變輸出高電平電壓數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第三節(jié)TTL和CMOS集成邏輯門電路3.三態(tài)輸出門(TS門)三態(tài)門：增加了控制輸入端（Enable），一般用E或者EN表示，有的書中又稱為使能端。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第三節(jié)TTL和CMOS集成邏輯門電路3.三態(tài)輸出門(TS門)高電平有效用“▽”表示輸出為三態(tài)。低電平有效數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第三節(jié)TTL和CMOS集成邏輯門電路3.三態(tài)輸出門(TS門)三態(tài)門電路的輸出有三種狀態(tài)：高電平、低電平、高阻態(tài)。何為高阻狀態(tài)？懸空、懸浮狀態(tài)，又稱為禁止?fàn)顟B(tài)測電阻為∞，故稱為高阻狀態(tài)測電壓為0V，但不是接地因為懸空，所以測其電流為0A數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第三節(jié)TTL和CMOS集成邏輯門電路3.三態(tài)輸出門(TS門)三態(tài)門實現(xiàn)總線傳輸各三態(tài)門的控制端EN輪流為高電平，且在任何時刻只有一個門的控制端為高電平，就可實現(xiàn)總線傳輸。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第三節(jié)TTL和CMOS集成邏輯門電路4.CMOS反相器COMS邏輯門是互補(bǔ)-金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管門電路的簡稱。具備微功耗，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點。以下為CMOS反相器的工作原理圖：數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路第三節(jié)TTL和CMOS集成邏輯門電路5.TTL和CMOS集成邏輯門電路使用注意事項數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章邏輯門電路本章小結(jié)1.邏輯門電路：用